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斯坦福工程师建造基于水滴的计算机

每位计算机科学家都知道,您可以通过许多不同的方式来实现计算机的实现-但是滴水是多少?是的,您当然可以,而且观看结果确实很有趣。

好的,因此您可以在具有实现逻辑门功能的任何物理系统之外构建计算机-实际上只有一个门可以完成。原则上您只需要一个Nand或Nor门,就可以用它来创建其余所有门。一旦扩展,您就会知道这个事实是由奇怪的东西建造的计算机-基于螃蟹的计算机-变得不那么令人惊讶了,但是娱乐性却丝毫不减。

斯坦福大学,Georgios Katsikis大学,James S. Cybulski大学和Manu Prakash大学的研究人员创建了一些新的东西-基于同步水滴的机器。在这种情况下,您只需要观看实际运行中的计算机视频就可以在美学层面上欣赏它:

当您看到水泡在网格周围移动时,看起来就像某种复杂的舞蹈或复杂的吃豆游戏。一切看起来好像步调一致的原因是事实。这是在不太可能的介质中构建的同步计算设备的少数示例之一。

我们可能会在这一点上留下它-看起来让人惊奇-但如果您好奇,您将需要一个关于它如何工作的小线索。

首先是运输机制。

斑点移动的原因是巧妙的。首先,存在一个恒定的垂直磁场,该磁场使铁磁性液体极化,从而使其像一个小的垂直条形磁体,其南极靠近基板。北极与基材的距离意味着您可以最忽略其相互作用,并可以将液滴视为只是单个南极-即近似单极。您可以在下图中看到有关其如何与基板上的磁化棒相互作用的更准确的图片:

watercom1

这是第一个聪明的部分。第二个原因是使用旋转磁场来改变基板中形状的感应磁化强度,以产生使斑点移动的“行进”磁波。磁场以直角在四个位置之间切换,您可以在以下四个图中看到它如何移动斑点:

首先,旋转磁场指向“上”,并且所有事物都被极化,因此它的底端有一个北极(红色)。在这种情况下,斑点被吸引到其右侧的简单竖线-最近的北极。

水

然后将视场旋转90度,使其指向右边。现在,所有事物都被极化了,因此北极在左边。请注意,在这种情况下,简单的竖线实际上没有作用,并且斑点向右移到T形杆的北极-也是最近的北极。

水

现在,该字段在图中朝下摆动,指向下方,您重复了第一步,但南北互换了。一切都在垂直方向极化,但北极在顶部。这会将斑点吸引到T形条右边的中间。

水

现在,最后一步应该很明显了。磁场移动到指向左侧的位置,我们在第二步中进行了设置,所有物体均在水平方向极化,而北极在右侧。现在,斑点移到T形条的右侧,循环可以重复了。

浇水

聪明!由于整个事物都是对称的,因此可以间接地与轨道配合使用。

水路

好的,这样您就可以传输逻辑了吗?

为了解释门的工作原理,我们来看一个简单的“与/或”电路:

水和

注意,物理逻辑通常确实同时计算“与”和“或”,因为它们是可逆的,并且不会丢失任何信息。了解发生了什么的关键是要记住斑点是南极,因此要互相排斥。如果门中A处只有一个斑点,则将这些条布置成沿着红色路径向下移动-是的,这是一个拐角的示例。数字显示了每个时钟周期北极的位置,您可以看到它在拐角处拖动。

如果在B处有一个斑点,那么它将沿着蓝线直接向下移动到C。如果您查看数字在轨道上的排列方式,您会发现情况确实如此。

因此,如果在A或B之一处只有一个Blob,则在C处获得输出,而在D处则没有输出。

现在假设在A处有一个Blob,在B处有一个Blob。在下一个时钟周期,A处的Blob向前移动并首先移至3,因为它在T条的末尾且更近。B处的斑点被它排斥,必须向右移动,因此遵循水平的蓝色路径。

因此,如果在A和B处有斑点,则在C处获得输出,在D处获得一个输出。

稍加思考,就可以说服C给出A OR B,D给出A ANDD。

其他逻辑门相似。

本文对发生的事情进行了更为精确的分析-在这种更为直接的解释矿井中出现的任何错误。它还说明了其他设备,例如触发器和存储器。它们还提供了一组设计规则,使您能够采用逻辑门和其他功能块,并且就像将其设计为基于IC的标准电路一样,将它们简单地组合在一起。

如果您想尝试一下,可以使用一些设计工具-Lego Digital Designer和EAGLE CAD,您可以使用它们创建自己的演示电路。不过,这里有个散步可以帮助您入门,还有邀请您将设计上传到画廊。

当然,这并不是要使用水滴来构建一台非常慢的计算机。这实际上是关于使物质运动像计算机一样合乎逻辑。作者想到的是化学加工,分析等-中尺度材料加工。

只有时间会告诉您这种方法可能有什么样的应用,但是与此同时,我们可以很有趣地观察它并设计新的电路。

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